基于 STATCOM与 TSC混合无功补偿系统的设计仿真

2 0 1 5年 7月 第 4 4卷 第 7期 机械设计与制造工程 Ma c h i n e D e s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n g E n g i n e e ri n g J u 1 2 0 1 5 V o 1 4 4 NO 7 D O I l O 3 9 6 9 j i s s n 2 0 9 5 5 0 9 X 2 0 1 5 0 7 0 0 7 基于 S T A T C O M与 T S C 混合 无功补偿 系统 的设计仿真 薛博文 西安铁路职业技术学院电气工程系 陕西 西安7 1 0 0 1 6 摘要 根据 T S C能够提供大容量的容性无功容量 实现无功功率的粗略补偿 S T A T C O M 能够提供 小容量的感性与容性无功容量 实现无功功率精确补偿 思想 设计 了基于 S T A T C O M与 T S C协 同 运行的混合无功补偿装置 首先提 出了混合无功补偿 系统的电路结构 通过选择 T S C支路结构 电容器分组方法与 S T A T C O M 间接 电流控制策略制定 了该装置的工作方案 接 着通过对 1 S C电 容 器 电抗 器与晶闸管的参数选择 设计 了总控制器控制方案 最后搭 建了 T S C S T A T C O M装 置的控制模块与主电路 对 rI S C S T A T C O M装置投 运电网系统前后进行 了仿真 仿真结果验证 了1 s c S T A T C O M无功补偿装置在提高功率因数 抑制 自身谐波含量 稳定系统电压等方面均 能达 到理 想的效 果 关键词 静止同步补偿器 晶闸管投切 电容器 混合无功补偿装置 系统仿真 中图分类号 T N 7 1 5 文献标志码 A 文章编号 2 0 9 5 5 0 9 X 2 0 1 5 0 7 0 0 2 8 0 7 混合无功补偿装置 H V C 由 1台静止同步补偿 器 S T A T C O M 和几组晶闸管投切电容器 T S C 组成 T S C能够提供容性无功容量 以实现无功功率粗略补 偿 成本较低 还可与电感组成单调谐滤波器 是 H V C 的离散子系统 1 2 3 S T A T C O M能够提供小容量感性 和容性无功容量 以实现无功功率精确补偿 是 H V C 的连续子系统 3 C成本较低 无功补偿容量大 S T A T C O M能快速 连续地补偿无功容量 两者协同运 行可实现精确 大容量无功补偿 本文设计 了一种 T S C与 S T A T C O M协 同运行 的混合无功补偿 装置 在 M A T L A B s I M u L I N K平 台上搭建了 T S C与 S T A T C O M 协同补偿的仿 真模 型 分析了该 无功补偿装置 的工作过程 和补偿 特 性 对补偿前后配电网功率因数和谐波畸变率变化 进行仿真 仿真结果表明 该混合无功补偿装置对 无功功率的补偿效果 良好 并对抑制谐波 稳定系 统电压具有积极作用 1 混合无功补偿装置结构设计 利用 T S C成 本低且 可 以补偿 容性无功 的特 点 达到 粗补 无功的 目标 利用 S T A T C O M既能 补偿容性又能补偿感性无功的特点 将其设计为混 合系统的连续子 系统 达到 精 补 无功 的 目标 设计结构如图 1 所示 通过设置 S T A T C O M与 T S C协调运行 实现混 合补偿装置在容性无功功率最大补偿值和感性无 功功率最大补偿值之间平滑调节 其中 T S C负责 有级调节进行无功粗补 S T A T C O M负责无级调节 进行无功精补 由于系统的无功缺额不可能恰好 被某几组 T S C补偿 当无 功缺额所需的 T S C组数 为 n n 1 时 为避免过补偿则投入 t 组 T S C 剩 余 的无功缺额由 S T A T C O M加以补偿 即可实现无 功补偿平滑调节且成本低的要求 如图 2所 示 选 取 8组容 量 均 为 2 0 k v a r的 T S C 按 循 环 策 略方 式 投 切 再 选 一 组 容 量 为 2 5 k v a r 的 S T A T C O M 选取 S T A T C O M 容量 略大 于 T S C的目的是避免无功在某几组 T S C投切容量左 右波动时引起的 震荡投切 假设 3组 T S C已投 入 此刻若再 出现 2 0 k v a r 无功缺额并不立 即投人 下一组 T S C 而是利用 S T A T C O M 进行无功补偿 直到容量缺额超出2 5 k v a r 才投入下一组 T S C 收稿 日期 2 0 1 5 0 4 0 7 作者简介 薛博 文 1 9 8 O 一 男 陕西西安人 西安铁路职业技术学 院讲师 硕士 主要研究方 向为电力电子与电力传动 电力系统 2 8 2 0 1 5年第 7期 薛博文 基于 S T A T C O M与 T S C混合无功补偿系统的设计仿真 配 电网静止 同步补偿器 S T A T C O M 图 1 I 1S C s T A r C 0 M 混合无功补偿 系统 H V C结构 8 卜 赣 蠡 I 脚 I 4 I l I I L 0 I 图 2 混合无功补偿装置的工作原理 2混合无功补偿装置工作方案 2 1支路 结构 T S C支路结构有星形接法 Y 三角形接法 B C j Z 1 z z j z Z z a T S C 角形 接 法 A 与星形 三角形混合接法 Y 如图 3所示 以上三者分别适用于三相无功分补 无功共补及无 功分补 共补 j 星形 Y 接线方式优 势在于 实际运行时电力系统三相负荷不会一直平衡 即使 T S C一相中某电容器击穿 非故障相 电容器会限制 故障电流 使最大故障电流小于 T S C的3倍额定 电流 免受非故 障相 电容器产生 的涌流影响 因 此 星形 Y 接线方式可在三相负荷不平衡时分别 补偿各相无 功功率 使之达到平衡 故本文选择 T S C星形 Y 接线方式 2 2 T S C 电容 器分 组 由于 T S C无功补偿只能有级调节 因此要合 理分组电容器 以达到理想的补偿效果 由于本文 考 虑将 T S C 进行无 功粗补 设置较小无 功补偿 间 A b T S C星形 Y 接 法 c T S C星形 三 角形 Y 混合接 法 图 3 C支路结构 的 3种接法 隔会造成电容器频繁投切 所 以设计使用等电容分 组的方式 即将 电容器按 照等容量原则分 为若 干 组 遵循循环投切控制方法 使得各组 电容器投人 时间基本相同 不会发生某一组温升过高情况 这 样将延长电容器使用寿命并可以避免复杂的控制 算法 有利于补偿装置 的设 计 不足之处是易过补 偿或欠补偿 补偿精度易受分组容量间隔限制 2 3 S T A T C O M 电流间接控制策略 根据 S T A T C O M工作原理 将其视为一个交流 电压源 通过控制变流器发出的交流侧 电压基波幅 值 相位 来间接对其交流侧 电流进行控 制 由于 S T A T C O M等效电阻 r 较小 而 值较大 S T A T C O M无功输出会随 6 与 相位差 微小改变 而发生较大变化 因此可通过对 6 小幅度控制实现 2 9 2 0 1 5年第 4 4卷 机械设计与制造工程 S T A T C O M大幅度输 出 通过分析可得电流间接控 制方法为 将拟补偿的无功电流参考值 r e 当作指 令输入 求出8数值后 利用 6控制 S T A T C O M变流 器触发脉冲 实现交流侧输出电流值随 变化 2 4 T S C S T A T C O M混合无功补偿装置工作方案 假 设 T S C 组 数 为 8组 单 组 补 偿 容 量 为 2 0 k v a r S T A T C O M 的补偿 容量 为 2 5 k v a r 本 系统 设计最大可补偿无功缺额为 2 0 8 2 5 1 8 5 k v a r 并且可产生 2 5 k v a r 的感性无功功率 按照负载无 功变化 分别制定补偿规律如下 1 负载 无功 等于 S T A T C O M 容 量 时 T S C与 S T A T C O M均不进行补偿 2 负载无功小 于 S T A T C O M容量时 仅 S T A T C O M补偿 3 负 载 无 功 大 于 S T A T C O M 容 量 却 小 于 4 5 k v a r 时 投入一组 T S C 4 负载无功大于 4 5 k v a r 却小 于 6 5 k v a r 时 投 入 两组 T S C 5 依次类推 T S C依次投入 逆过程与此相反 依次切除直至所有 T S C全部退出运行 此外 该混合无功补偿系统需要总控制器来使 T S C和 S T A T C O M协同运行 其作用是实时检测电 网电压 电流 功率因数等值 得到负载无功补偿情 况 根据 以上 5点无功补偿规律决定各 T S C的投 切状态 通过通信信道发出投切指令并确定 S T A T C O M 的相应补偿容量 3 参数选择与设计 3 1 T S C电容器参数 已知T S C电容器额定容量为2 0 k v a r 应计算电 容器的耐压水平 根据系统电压有效值 U 0 3 8 k V 由 公式q u o c 计算可得c U S 0 一 4 4 0 8 7 2 4 F 为使 T S c投切时无 1 0 0 竹 一 冲击电流 采取预充 电方式 即电容器 电压等 于电 网 电压 则 T S C的晶闸管两端电压极值为 2 2 U s 2 x 1 4 1 4 0 3 8 1 0 7 5 k V 由于电压等级较高 因此选择耐压大于 1 6 0 0 V的晶闸管 本文选择型 号为 B S M J 0 4 2 0 3电容 器 即额 定 电压 为 4 0 0 V 额定容量为 2 0 k v a r 的三相电力电容器 3 2滤除谐波电抗器参数 电容回路中串接电抗器组成的谐振回路 可有 效抑制某次谐波的短路故障影响 根据已选择的电 3 0 容器参数可确定解谐 电抗器参数 即将 8组 T S C分 成几部分 一些组串联 5次滤波电抗器 滤除 5次谐 波 其他组如 7次谐波等可串联 7次滤波器滤除 本文根据电网谐波为5次及以上时配置电抗率 K的 范围为 4 5 6 0 为避免电抗与电容器制造误 差或运行中参数发生变化产生谐波 电抗率 以6 0 为宜 在电容器接入处 电抗率还应另算 电抗率 谐振次数与谐波频率对应表见表 1 表 1 电抗率 谐振次数与谐波频率对应表 3 3晶 闸管选择 晶闸管选择原则是当电容器断开瞬间 能够承 受其上的残压 当不存在 串联电抗器时 晶闸管应 承受电网电压幅值的 2倍 当存在串联 电抗器时 应考虑其对 电容器电压的抬升作用 即电容器断开 瞬间时晶闸管能够承受高于 电网残压 的 2倍 假 设串联电抗器造成 电压抬升 1 0 对 于电容器而 言 当晶闸管断开瞬间电容器上的残压为电网线电 压幅值 即 U c U L 1 1 0 3 8 0 2 1 1 5 9 1 1 4 V 因此 晶闸管电压 z G 2 U c 2 5 9 1 1 4 1 1 8 2 2 8 V 为避免 电网波动影响 选 择晶闸管耐压水平为 1 6 0 0 V或者更大 选择晶闸 管额定电流时 应考虑其投入时可能产生的冲击电 流 即按 3倍 电容器额定 电流选择 晶闸管额定 电 流 3 4总控 制 器设 计 总控制器设计如图4所示 由图4可知 从 电网上采集到的电压 电流信 号经前置滤波与 A D转换后可得到电压与电流有 效值 相位差等 通过计算可得当前系统功率 因数及需要进行补偿的无功功率 从而发出驱动信 号用于 T S C的投切及 S T A T C O M动态补偿 4 混合无功补偿装置仿真 4 1 T S C S T A T C O M 仿 真 电路 当 S T A T C O M采用电流间接控制策略时 其工 作原理是根据负荷无功功率实时调整补偿角 6 间 接控制 S T A T C O M交流侧 电压和输 出电流 实现对 接入点处负荷无功功率 无功电流 的补偿 9 J 2 0 1 5 年第 7 期 薛博文 基于 S T A T C O M与 T S C混合无功补偿系统的设计仿真 图 4总控制 器设计 图 图 5所示为 T S C S T A T C O M 的 S I MU L I N K仿 真主接线图 从模块库 中选取三相电源模型代替 电力主系统 设线 电压有效值为 2 2 0 gv 频 率为 5 0 H z 恒定负荷功率 S 9 0 0 0 j 2 0 0 0 在固定负 荷处并联一个 s S 1 0 0 0 j 9 0 0 0 负荷 该负荷 与三相断路器 串联后接入电网系统 模仿电力系统 冲击性负荷 S T A T C O M模型采用三电平技术 S T A T C O M电流 间接P I 控制 仿 真 电路 如 图6 图 5 T S C S T A T C O M的 S I MU L I N K仿真 主接 线图 所示 输入信号 k为电网系统三相瞬时相电压 为S T A T C O M直流侧 电容两端电压 输出信号 为 S T A T C O M控制角 8 F c n 表示节点 电压瞬时有 效值的计算函数 即 U V b F c n 2函数功能 由式 a r c t a n U c q r e f U d 口 r e f 实现 其中 为电网系统参考电压 为直流侧参 考 电压 4 2 波形分析 4 2 1 T S C S T A T C O M 对电 网系统功率 因数的 影 响 当冲击性负荷未并入时 根据 负荷视在功率 s 可知 T S C S T A T C O M 未投运补偿 时电网系统功 率因数较低 T S C S T A T C O M 装置投运 后 电网 系统功率因数变化 曲线如图 7所示 由图 7可知 t 0 0 6 s 时投运一组 T S C t 0 2 6 s 及 t 0 4 6 s 时分别投运另两组 T S C 电网系 统功率因数有级地进行调节 当 t 0 6 5 s 时 投运 S T A T C O M 经过几个周期振荡 最终电网系统功率 因数维持在 1附近并且其调节是连续性 的 根据 仿真 曲线 T S C S T A T C O M 装置的无功补偿先 由 T S C粗 略补偿 一部分 再 由 S T A T C O M 进行细调 由于 T S C补偿是有级的 而 S T A T C O M补偿是连续 31 2 0 1 5年第4 4卷 机械设计与制造工程 1 0 0 9 O 8 O 7 0 6 圜 斟0 5 督 O 4 O 3 O 2 0 1 O 图6 S T A T C O M 电流间接 P l 控制仿真 电路 一 一 叠 一 叠 0 l 0 0 0 图 7 T S C S T A T C O M投 运后 电网 系统功率 因数 变化 的 因此当无功需求微小时 仅通过 S T A T C O M就 可完成调节 但在无功需求较大时 为了满足用户 要求 加入 T S C可以有效降低装置成本 4 2 2 总谐波畸变率 T H D 分析 T S C S T A T C O M装 置投运 电网系统前 电网 谐波畸变率 T H D 如图8 a 所示 取 5 0 H z 为基 频 3 0 0 0 H z 为最大频率 利用 F F T分析时 仅能 分析到 6 0次谐波 由图 8 a 可观测到接近 6 0次 谐波幅值已经很小 对总谐波畸变率影响可忽略不 计 T S C S T A T C O M 装置 投运前 电网系统 电流 T HD值为 0 0 1 T S C S T A T C O M 装置投运后 电网系统谐波 畸变率 T H D 如图 8 b 所示 此时电流畸变较 大 用 F n 分析时取最大频率 9 0 0 0 H z 当谐 波分 析到 1 8 0次 由图 8 b 可观测 到 电网系统 电流 T H D值为 1 9 4 该值在可接受范围内 不超过 5 由 T S C及 S T A T C O M工作原理可知 T S C支 路不产 生谐 波 谐 波 由 S T A T C O M 支 路 产生 而 S T A T C O M主电路结构采用三 电平 四重化结构 可 有效抑制 自身谐波产生 3 2 嚣 趔 骥 窨 鲻 蝴 嚣 罂 燃 磐 嚣 越 器 埔 露 燃 典 基波 5 0 Hz 3 0 3 8 T HD O 0 1 0 1 0 2 0 3 O 4 O 5 0 6 0 谐波次数 a T S C S T AT C OM投运前 电网系统谐波分析 谐波次数 b T S C S T AT C O M投运后电网系统谐波分析 图 8 T S C 4 S T A T C O M 投运前后 电网 系统谐 波分析 4 2 3 电网系统 电压与电流分析 T S C S T A T C O M 装置投运 前 后电网系统 电 压与电流 波 形 如 图 9所 示 可 观 测 到 T S C S T A T C O M装置补偿前 电网系统呈感性且 电流滞 后电压较明显 其中电流幅值为 3 0 4 A 补偿后 电 舳 加 如 如 加 O 2 0 1 5年第4 4卷 机械设计与制造工程 3 K i n c i c S M c G i l l i s D T V o l t a g e s u p p o r t b y d i s t r i b u t e d s t a t i c v a r s y s t e m s S V S J I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o w e r D e l i v e r y 2 0 0 5 2 0 2 1 5 4 1 1 5 4 9 4 D a i X i a n z h o n g L i u G u o h a i G e n e r a l i z e d e o ry o f i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e q u a n t i t y f o r m u h i p h a s e p o w e r s y s t e m J I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o w e r D e l i v e ry 2 0 0 4 2 9 6 5 9 7 2 5 翁薇 低压无功补偿控制器的研究与设计 D 长沙 湖南大 学 2 0 0 9 6 7 8 9 姜齐荣 谢 小荣 陈建业 电力系统无功补偿 M 北京 机 械 工业出版社 2 0 0 4 刘和平 T MS 3 2 0 L F 2 4 0 x D S P C语 言开发应用 M 北 京 北 京航空航天大学出版社 2 0 0 3 孙元 章 赵 枚 黎雄 S T A T C O M 控制 的 电力系 统稳 定分 析 J 电力系统自动化 2 0 0 1 2 5 1 1 l 一 5 栗春 马 晓军 用 S T A T C O M 改善 系统 电压调 节特 性 的动 模 实验 J 中国电机工程学报 1 9 9 9 1 9 9 4 6 4 9 Th e r e a c t i v e c o mpe ns a t i o n s y s t e m d e s i g n s i mul a t i o n ba s e d o n STATC0M mi x e d wi t h TSC XUE Bo we n T h e D e v e l o p m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g X i h n R a i l w a y V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e S h a a n x i X i h n 7 1 0 0 1 6 C h i n a Ab s t r a c t Wi t h t h e a i d o f b o t h T S C s l a r g e c a p a c i t i v e r e a c t i v e p o we r c a p a c i t y a n d S T A T CO M s e mo t i o n a l a n d s ma l l c a p a c i t i v e r e a c t i v e c a p a c i t y t o a c h i e v e r e a c t i v e p r e c i s e p o we r c o mp e n s a t i o n i t d e s i g n s t hi s r e a c t i v e p o we r c o mp e n s a t i o n d e v i c e b a s e d S T AT C OM a n d T S C c o l l a b o r a t i v e mi x e d o p e r a t i o n S e l e c t i n g t h e T S C b r a n c h s t r u c t u r e a n d t h e c a p a c i t o r g r o u p i n g S T A T CO M i n d i r e c t c u r r e n t c o n t r o l s t r a t e g y i t d e v e l o p s a p r o g r a m o f w o r k o f t h e d e v i c e p r o p o s e s a h y